打开文件：内核做了什么
一.文件描述符本质
文件描述符的是一个非负整数，它是操作系统内核用来标识和管理打开文件的抽象概念。在 Linux 和其他类 Unix 操作系统中，几乎所有与文件相关的操作都是通过文件描述符来进行的。
文件描述符是操作系统内核为每个进程维护的一个表，用于记录和跟踪进程打开的文件。当进程打开一个文件时，内核会分配一个未使用的文件描述符，并将其返回给进程。通常，文件描述符是一个非负整数，其中0、1、2分别是预留给标准输入、标准输出和标准错误的特殊文件描述符。
实际上，文件描述符并不直接表示文件本身，而是一个索引或句柄，用于查找与该文件相关的内核数据结构，如文件结构体（File Structure）。通过文件描述符，进程可以与内核交互，并访问和操作打开的文件。文件描述符允许进程进行文件的读取、写入、关闭等操作，以及其他文件相关的系统调用。
因此，文件描述符可以看作是进程与文件之间的一种间接关联，它提供了一种标识和访问打开文件的方式。它的本质是一个非负整数，由操作系统内核分配和管理，使得进程能够安全地操作文件资源。文件描述符是一个结构体数组的下标。
二.task_struct
struct task_struct 是在 Linux 内核中表示进程的主要数据结构之一。每个运行的进程都有一个对应的 task_struct 结构体。
task_struct 结构体中包含了大量的成员变量，用于记录和管理进程的各种属性和状态。其中一些重要的成员变量包括：
pid：进程的唯一标识符（Process ID）。ppid：父进程的进程 ID。state：进程的运行状态，如运行、等待、停止等。mm：进程的内存管理相关信息，包括内存映射、页表等。files：与进程关联的文件描述符表。signal：信号相关的信息，包括信号处理函数和信号屏蔽字。cpu：进程当前所在的 CPU。sched_info：调度相关的信息，用于进程的调度和时间片管理。parent：指向父进程的指针。children：指向子进程的链表。
通过 task_struct，内核能够追踪和管理每个进程的状态和属性，并进行调度、资源管理等操作。它是内核进行进程调度、进程间通信、资源管理等功能的关键数据结构。
需要注意的是，Linux 内核中的进程调度单位是线程（Thread），而一个进程可以包含多个线程。每个线程都有对应的 task_struct 结构体，用于描述线程的属性和状态。因此，task_struct 与进程的关系是，每个运行的线程都有一个对应的 task_struct 结构体，而一个进程可以包含多个线程的 task_struct。
总结起来，task_struct 是 Linux 内核中用于描述线程（Thread）的数据结构，包含了线程的属性和状态信息。它在内核中用于管理和调度线程，并与进程相关联，一个进程可以包含多个线程的 task_struct。
事实上Linux中本质上没有进程，进程和线程都是通过 task_struct管理状态和属性。本质上没有线程，Linux中线程是一种轻量级的进程。
四.files成员
files 是 task_struct 结构体中的一个成员变量，用于表示与进程相关联的文件描述符表。
文件描述符表是进程在运行过程中打开的文件的记录表。每个进程都有自己的文件描述符表，通过文件描述符表，进程可以访问和操作打开的文件。
files 成员变量的类型是 struct files_struct，它包含一个指向文件描述符表的指针。struct files_struct 结构体还包含了与文件描述符表相关的信息，例如文件描述符的数量、指向文件描述符数组的指针等。
文件描述符表是一个数组，数组中的每个元素是一个 struct file 结构体，用于描述一个打开的文件。每个文件描述符都与一个打开的文件相关联，包括文件的打开模式、文件的位置偏移、访问权限等信息。
通过文件描述符，进程可以进行文件的读取、写入、定位、关闭等操作。通过文件描述符表，进程可以实现文件的共享、管理和资源控制。
总结起来，files 是 task_struct 结构体中的一个成员变量，用于表示与进程相关联的文件描述符表。文件描述符表是一个数组，每个元素是一个 struct file 结构体，用于描述一个打开的文件。通过文件描述符和文件描述符表，进程可以访问和操作打开的文件。
struct files_struct
files_struct 是 Linux 内核中与进程相关联的文件描述符表的数据结构。
在 Linux 内核中，每个进程都有一个与之关联的 files_struct 结构体，用于管理和跟踪进程打开的文件。
files_struct 结构体包含了多个成员变量，其中一些重要的成员变量包括：
count：文件描述符表中已打开文件的数量。fdt：指向文件描述符表数组的指针。max_fds：文件描述符表数组的大小（在内核中的上限）。
文件描述符表是一个由 struct file 结构体组成的数组，每个元素表示一个打开的文件。struct file 结构体包含了与打开文件相关的信息，包括文件的打开模式、位置偏移、文件状态等。
count 用于记录当前进程打开的文件数量，fdt 是一个指向文件描述符表数组的指针，通过它可以访问和操作每个打开的文件。
max_fds 表示文件描述符表数组的大小。在一个进程中，文件描述符的数量不能超过 max_fds 的值，否则无法打开更多的文件。
通过文件描述符表，进程可以实现对打开的文件进行操作，包括读取、写入、定位、关闭等。每个文件都与一个文件描述符相关联，进程可以通过文件描述符来访问和操作对应的文件。
files_struct 结构体是进程在内核中进行文件管理的重要数据结构，它提供了接口和方法，使得进程能够访问和操作其打开的文件。内核通过 files_struct 来追踪进程的文件状态，包括文件打开和关闭的操作。
总结一下，files_struct 是 Linux 内核中与进程相关联的文件描述符表的数据结构。它包含了当前进程打开的文件的相关信息，提供了接口和方法，使得进程能够对打开的文件进行读写和管理。
五.fdt成员
fdt 是 files_struct 结构体中的一个成员变量，它指向文件描述符表数组，用于管理和跟踪进程打开的文件。
文件描述符表是一个由 struct file 结构体组成的数组，它记录了进程打开的文件的相关信息。每个元素（struct file 结构体）表示一个打开的文件，包括文件的打开模式、位置偏移、文件状态等。
fdt 是一个指向文件描述符表数组的指针。通过它，可以访问和操作每个打开的文件。例如，可以通过文件描述符来读取、写入、定位和关闭文件。
在 files_struct 结构体中，fdt 变量的类型是 struct fdtable *，它是一个指向 fdtable 结构体的指针。fdtable 结构体包含了与文件描述符表相关的信息，包括文件描述符的数量、指向文件描述符数组的指针等。
通过 fdt 和 fdtable 结构体，内核可以实现对进程打开的文件的管理和操作。它提供了接口和方法，使得进程能够访问和操作打开的文件。
总结一下，fdt 是 files_struct 结构体中的一个成员变量，它是一个指向文件描述符表数组的指针。文件描述符表是一个由 struct file 结构体组成的数组，用于记录进程打开的文件的相关信息。通过 fdt 和文件描述符表，进程可以实现对打开的文件的读写、定位和关闭等操作。
六.文件描述符表
在 Linux 操作系统中，每个进程都有一个文件描述符表（File Descriptor Table），它是一个由文件描述符（File Descriptor）组成的数组。文件描述符表中的每个元素是一个整数，用于标识打开的文件。
具体地说，每个元素是一个索引，它指向进程的文件表（File Table）中的一个项。文件表是进程打开文件的记录，对应每个进程都有独立的文件表。
每个进程默认继承了三个标准的文件描述符：0、1、2 分别表示标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误输出（stderr）。
除了标准文件描述符外，进程还可以通过系统调用（如 open()、socket() 等）来打开其他文件，并分配一个新的文件描述符。打开文件时，操作系统会将文件描述符分配给对应的打开文件，并将其记录在进程的文件描述符表中。
文件描述符表中的每个元素只存储一个整数值，用于索引对应的文件表项。文件表项是一个数据结构，记录了打开文件的详细信息，包括文件偏移、文件指针、访问权限等。
通过文件描述符，进程可以对打开的文件进行读取、写入、定位和关闭等操作。进程可以使用系统调用（如 read()、write()、lseek()、close() 等）来直接使用文件描述符进行操作。
需要注意的是，不同进程的文件描述符表是独立的，互不影响。文件描述符在进程间是不共享的，每个进程都有自己独立的文件描述符表和文件表。
总结一下，文件描述符表是每个进程独立维护的，它是一个由文件描述符组成的数组。每个文件描述符表示一个打开的文件，在文件描述符表中存储着对应打开文件的索引。文件描述符表通过索引与进程的文件表关联，文件表中记录了打开文件的详细信息。进程可以使用文件描述符来对打开的文件进行读取、写入、定位和关闭等操作。不同进程的文件描述符表是独立的，互不影响。
struct file
在详细介绍文件描述符表中每个元素的内容之前，我想先澄清一下，文件描述符表中的每个元素本身并不包含文件的详细内容，而是用来标识和管理打开的文件。文件的具体内容和属性是由相应文件表中的条目来记录和维护的。
在 Linux 中，文件描述符表中的每个元素通常是一个指向 struct file 结构体的指针（在内核中的定义为 struct file *），这个结构体用于记录与打开文件相关的信息。下面是 struct file 结构体的一些核心成员：
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unsigned int f_flags：记录文件的打开标志，例如读写、追加、同步等操作。 -
loff_t f_pos：维护文件的当前读写位置，表示下一次读写操作将从文件的哪个位置开始。 -
const struct file_operations *f_op：指向与文件相关的操作函数的指针，比如读取、写入、定位等函数。 -
struct path f_path：用于存储文件的路径信息，包括文件名、目录等。 -
struct inode *f_inode：指向文件的索引节点（inode），索引节点保存了文件的元数据，如文件大小、权限等。 -
unsigned int f_mode：记录文件的模式，表示文件的类型和访问权限。
除了上述核心成员外，struct file 结构体还可以包含其他用于特定类型文件的成员变量，例如网络套接字文件等。
文件描述符表中的每个元素是由系统调用（如 open()、socket() 等）所创建的打开文件对应的 struct file 结构体。进程可以通过文件描述符来访问和操作打开的文件，例如读取、写入、定位、关闭等操作。内核通过文件描述符来找到对应的 struct file 结构体，从而实现对文件的操作。
需要注意的是，文件描述符表是每个进程独立维护的，不同进程之间的文件描述符表是相互隔离的，它们互不影响。
综上所述，文件描述符表中的每个元素（通常是 struct file 结构体的指针）用于标识和管理打开的文件，在其中记录了与文件相关的信息，如打开标志、当前读写位置、文件路径、索引节点等。通过文件描述符表，进程可以使用文件描述符来访问和操作打开的文件。
七.open函数本质
file_operations 是在 Linux 内核中定义的一个结构体，它定义了一组对文件进行操作的函数指针，以实现文件的读取、写入、定位、关闭等操作。该结构体通常在文件系统的实现中使用，并由每个文件通过 struct file 结构体中的 f_op 成员引用。
下面是 file_operations 结构体的一些常见成员函数：
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read：用于从文件中读取数据。函数原型为ssize_t (*read) (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)。 -
write：用于向文件中写入数据。函数原型为ssize_t (*write) (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)。 -
llseek：用于更改文件读写位置的函数。函数原型为loff_t (*llseek) (struct file *file, loff_t offset, int whence)。 -
unlocked_ioctl：用于执行特殊的设备控制操作。函数原型为long (*unlocked_ioctl) (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)。 -
open：在打开文件时调用此函数，用于执行打开文件前的准备工作。函数原型为int (*open) (struct inode *inode, struct file *file)。 -
release：在关闭文件时调用此函数，用于执行关闭文件的清理工作。函数原型为int (*release) (struct inode *inode, struct file *file)。 -
flush：用于将缓冲区数据刷新到磁盘。函数原型为int (*flush) (struct file *file, fl_owner_t id)。
除了上述成员函数外，file_operations 结构体还定义了其他一些操作文件的函数指针，如文件的 mmap（内存映射）操作、文件的 fsync（同步文件）操作等。
当用户对已打开的文件执行读取、写入等操作时，内核会通过 struct file 结构体中的 f_op 成员来调用相应的 file_operations 结构体中的函数指针，以实现具体的文件操作。
需要注意的是，file_operations 结构体是在文件系统的实现中定义的，每个文件系统可以根据需要定义自己的特定操作。不同文件系统的 file_operations 结构体可能会有所差异。
综上所述，file_operations 结构体定义了一组用于文件操作的函数指针，通过这些函数指针可以实现对文件的读取、写入、定位、关闭等操作。它是 Linux 内核中文件系统实现的关键部分之一。
总结：
每一个进程或者说线程都由一个task_struct结构体维护，task_struct结构体有众多成员，其中有一个成员叫做files；files是files_struct类型。files_struct中含有fdt成员，它是指向文件描述符表数组的指针。文件描述符表数组中仅仅是一个索引，而文件描述符就是文件描述符表的下标。通过索引可以找到文件表项。文件表项是一个数据结构，记录了打开文件的详细信息，包括文件偏移、文件指针、访问权限等。当程序调用open函数时，系统会根据文件地址，通过虚拟文件系统找到inode中的file_operation,复制到程序中的文件表项中。这样就不用通过虚拟文件系统操作要打开的文件。同时返回文件描述的符。通过文件描述符，进程可以对打开的文件进行读取、写入、定位和关闭等操作。进程可以使用系统调用（如 read()、write()、lseek()、close() 等）来直接使用文件描述符进行操作。